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HFC152a 대체냉매를 이용한 자동차 냉방장치의 성능 최적화에 관한 연구
Study of Performance Optimization as an Alternative Refrigerant HFC152a in a Mobile Air Conditioning System 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.27 no.6, 2015년, pp.321 - 327  

이대웅 (한라비스테온공조 연구본부)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This study presents an HFC152a refrigerant air conditioner as an alternative to HFC134a, which is currently used in mobile air conditioning systems. Cool-down performance tests of an HFC152a air conditioning system were conducted and compared to a baseline HFC134a air conditioner. The experimental s...

주제어

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제안 방법

  • (8)은 자동차용 냉방장치의 대체냉매로서 HFC152a를 적용하여 실차 상태에서 성능 실험을 하였다. 기존 HFC134a 냉방장치 대비 팽창밸브, 건조제를 변경하였고, 냉매누설 감지센서(sensor) 및 안전밸브 (relief valve)를 고압측과 저압측에 설치하고, 냉매 주입량을 HFC134a 냉매 주입량의 64% 정도 주입하여 시험한 결과, 화염으로부터의 안전성에도 큰 문제가 없으며, HFC134a 냉방장치 대비 실내 온도가 2~3℃ 우수하고, 압축기의 토출과 흡입 압력이 낮고, 성능계수는 향상하였다.
  • Ghodbane(6, 7)은 자동차 냉방장치의 대체냉매로서 HFC152a와 탄화수소계 냉매를 이용하여 냉방성능을 시뮬레이션 하였고, 대체냉매를 사용한 이차 회로(dual loop) 시스템에서의 냉방성능을 비교하였다. 또한 지구 온난화의 직접적인 원인으로 냉매의 누설과 간접적인 원인으로는 냉방장치가 작동시 소비되는 에너지에 원인이 있다고 밝혔다.
  • HFC134a 자동차용 냉방장치의 대체냉매로서 HFC 152a 냉매를 적용하여 실차 상태에서 적정 냉매량 결정, 주행 조건별로 냉방성능을 비교하고, 팽창밸브 설정 값을 변경하여 성능에 미치는 영향을 살펴본 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
  • 시험차량은 현대자동차에서 생산하는 1500 cc, 4단 자동변속기를 탑재한 소형승용차이고, 상세 냉방장치의 구성부품은 Table 2에 나타내었다. 냉방성능을 시험하기 위해서는 먼저 적정 냉매량 결정시험을 하였으며, 이어서 최대 냉방성능 시험, 팽창밸브가 실차 냉방성능에 미치는 영향 순으로 시험을 진행하였다.
  • 다음은 HFC152a의 냉방장치에서 팽창밸브 설정 값이 0℃에서 각각 147 kPa와 127 kPa의 압력 값을 갖는 밸브에 대하여 성능에 미치는 영향을 살펴보았다. Fig.
  • 냉매량을 과 충전하면 응축기의 압력과 온도가 상승하게 되고, 또한 냉매량을 부족 충전시에는 증발기 출구 과열도의 상승에 따라 비체적의 증가로 냉매 순환량이 감소하여 성능이 저하되기 때문이다. 따라서 본 연구에 서는 Table #2(Thermal expansion valve는 #1)의 냉방장치를 자동차에 장착 후 환경제어풍동에서 적정 냉매량 결정시험을 하였으며, 적정 냉매량 결정은 과냉각 응축기를 사용할 시 기존의 평행류형 응축기의 적정 냉매량 선정과는 상이하다. 과냉각 응축기의 특성상 냉매 충전량의 증가와 함께 과냉각온도가 증가하다가 정체를 이룬 지점에서의 냉매량을 적정 냉매량으로 선정한다.
  • 따라서 본 연구에서는 자동차용 대체냉매로서 HFC 152a를 냉방장치에 Drop-in하여 환경제어풍동(Climate control Wind Tunnel, CWT)에서 주행조건을 변화하면서 실차 냉방성능을 HFC134a 냉방장치와 비교하였다. 또한 HFC152a 냉매 시스템에서 팽창밸브 설정 값을 변경하여 냉방성능에 미치는 영향에 대하여 살펴보았다,
  • 따라서 본 연구에서는 자동차용 대체냉매로서 HFC 152a를 냉방장치에 Drop-in하여 환경제어풍동(Climate control Wind Tunnel, CWT)에서 주행조건을 변화하면서 실차 냉방성능을 HFC134a 냉방장치와 비교하였다. 또한 HFC152a 냉매 시스템에서 팽창밸브 설정 값을 변경하여 냉방성능에 미치는 영향에 대하여 살펴보았다,
  • 차 실내 평균 온도를 측정하기 위하여 차량의 전석과 후석의 가슴부위와 발 부위에 각각 8개씩의 T형 열전대를 설치하여 온도를 측정하였다. 또한 공조장치에서 토출되는 공기온도를 측정하기 위하여 각 토출구마다 열전대를 설치하였으며, 압축기의 토출압력과 흡입압력, 응축기와 증발기 입구와 출구의 냉매 온도도 측정하였다. 사용된 T형 열전대의 측정 오차는 ±0.
  • 3℃이다. 또한 차량의 주행속도와 엔진회전수, 공조장치의 송풍기 모터에 공급되는 전압과 전류를 각각 측정하였다.
  • 시험은 먼저 차량에서 HFC134a 냉매 시스템에 대하여 냉방성능 평가한 다음, 동일한 시료를 깨끗이 세척을 한 후, HFC152a 냉매로 변경하여 성능을 비교하였다. 이때 냉동기유는 압축기의 초기무게를 측정하여 부족한 만큼 보충을 하였다.
  • 차 실내 평균 온도를 측정하기 위하여 차량의 전석과 후석의 가슴부위와 발 부위에 각각 8개씩의 T형 열전대를 설치하여 온도를 측정하였다. 또한 공조장치에서 토출되는 공기온도를 측정하기 위하여 각 토출구마다 열전대를 설치하였으며, 압축기의 토출압력과 흡입압력, 응축기와 증발기 입구와 출구의 냉매 온도도 측정하였다.
  • 팽창밸브는 증발기(evaporator)의 냉방부하에 대응하여 팽창밸브의 Power Element(PE)의 압력과 증발기 출구의 과열도, 스프링 장력과의 힘의 차이에 의해 밸브를 개폐하여 냉매의 흐름양을 제어한다. 팽창밸브 단품 성능실험은 입구측으로 1131 kPa의 질소가스를 공급한 후 PE를 항온조에 담그고 0℃와 10℃로 온도를 변화시키면서 팽창밸브 출구측 압력을 측정한다.(13)

대상 데이터

  • 이때 냉동기유는 압축기의 초기무게를 측정하여 부족한 만큼 보충을 하였다. 시험차량은 현대자동차에서 생산하는 1500 cc, 4단 자동변속기를 탑재한 소형승용차이고, 상세 냉방장치의 구성부품은 Table 2에 나타내었다. 냉방성능을 시험하기 위해서는 먼저 적정 냉매량 결정시험을 하였으며, 이어서 최대 냉방성능 시험, 팽창밸브가 실차 냉방성능에 미치는 영향 순으로 시험을 진행하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
HFC152a 냉매의 장점은? HFC134a와 유사한 열역학적 특성을 가지고 있는 HFC152a 냉매는 기존의 HFC134a 냉방 구성부품을 변경하지 않고 그대로 사용할 수 있고, 냉동기유와의 상용성이 우수하며, 냉방성능의 향상과 소모동력의 저감, 성능계수가 우수한 장점이 있는 대체냉매중의 하나이다.(5)
HFC134a 자동차용 냉방장치에 HFC 152a 냉매를 대체냉매로 사용한 결과, 어떤 효과를 기대할 수 있는가? 이상으로 자동차용 냉방장치에 HFC152a 냉매를 적용하여 시험한 결과, 냉매 충전량의 감소와 토출압력이 낮아져, 압축기의 내구성 향상과 효율 증대가 기대된다.
GWP가 150 이상인 냉매의 규제에 대한 산업계의 대응방안은? 특히 오존층 파괴(Ozone Depletion Potential, ODP)와 지구 온난화에 대한 관심이 높아지면서 유럽연합의회는 2017년부터는 지구 온난화 지수(Global Warming Potential, GWP)가 150 이상인 냉매를 사용하는 자동차의 판매 및 운행금지 법안을 통과시켰다.(1, 2) 이에 대한 산업계의 대응방안으로 첫 번째는 냉매의 누출 및 냉매 충전량을 줄이고 효율을 향상시켜 이산화탄소 배출량을 감소시키는 한편, 근본적인 대응방안으로 현재의 HFC134a 냉매를 지구 온난화 지수가 낮은 냉매로 교체하는 것이다. 따라서 여러 국가에서 지구 온난화 지수가 낮은 R1234yf 냉매를 대체냉매 시스템으로 지목하여 많은 연구가 진행되었지만, 냉매의 생산원가가 높아 차량의 확대 적용에 어려움을 겪고 있다.
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참고문헌 (16)

  1. United nations environment programme, 1987, Montreal protocol on substances that deplete the ozone layer, Final act, New York, United Nations. 

  2. Global environment change report, 1997, A brief analysis of the Kyoto protocol, Vol. IX, No. 24. 

  3. Directorate-general environment, consultation paper, 2003, How to considerably reduce greenhouse gas emissions due to mobile air conditions, European Commission, Brussels, Vol. 4. 

  4. European Union, 2006, Official Journal of the European Union REGULATION(EC), Vol. 842. 

  5. Kamei, A., Piao, C. C., Sato, H. and Watanabe, K., 1990, Thermodynamic charts and cycle performance of HFC-134a and HFC-152a, PAP 00062, pp. 141-149. 

  6. Ghodbane, M., 1999, An investigation of R-152a and hydrocarbon refrigeration in mobile air conditioning, SAE, 1999-01-0874. 

  7. Ghodbane, M., Baker, J. A., and Kadle, P. S., 2004, Potential applications of R-152a refrigerant in vehicle climate control Part II, SAE, 2004-01-0918. 

  8. Baker, J. A., 2003, R-152a refrigeration system for mobile air conditioning, SAE, 2003-01-0731. 

  9. Hill, W. and Papasavva, S., 2005, Life cycle analysis framework; A comparison of HFC-134a, HFC-134a enhanced, HFC-152a, R744, R744 enhanced and R290 automotive refrigerant systems, SAE, 2005-01-1511. 

  10. Lee, J. I., Ha, O. N., Hong, K. H., Kwon, I. W., Park, C. S., and Youn, G. S., 2002, A study on the refrigerant characteristics of the HFC-152a, and azeotrope mixed with CF3I in air conditioners, Korean Journal of Air conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 14, No. 4, pp. 332-340. 

  11. Shin, J. S., Park, W. G., and Kim, M. H., 2008, Test results of refrigerant R152a in a mobile air-conditioning system, Int. J. Air-Conditioning and Refrigeration, Vol. 16, No. 2, pp. 44-50. 

  12. Kang, N., Bae, G., Park, K., and Jung, D., 2010, Performance of HFC152a, HFC134a and HC290 mixtures as alternative refrigerants for HFC134a, Korean Journal of Air conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 22, No. 6, pp. 383-391. 

  13. Lee, D. W. and Yoo, S. Y., 2002, A study on the component performance for automotive air conditioner, Korean Journal of Air conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 14, No. 4, pp. 293-302. 

  14. Kim, J. S., Nam, S. B., Lee, D. W., Yoo, S. Y., and Kim, J. H., 2006, Performance comparison of automotive air-conditioning system by using R134a and R152a, Proceedings of the SAREK Summer Annual Conference, 06-S-002, pp. 9-14. 

  15. Kim, J. S., Lee, D. W. and Yoo, S. Y., 2006, An experimental study on performance of automotive air conditioning system by using R134a and R152a, Proceedings of the SAREK Summer Annual Conference, 06-R-006, pp. 1225-1231. 

  16. Yoo, S. Y. and Lee, D. W., 2009, Experimental study of performance of automotive air conditioning system using R-152a refrigerant, IJAT, Vol. 10, No. 3, pp. 313-320. 

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